并发编程LongAdder的原理是什么

本篇内容介绍了“并发编程LongAdder的原理是什么”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

目录

• 一、前言

• 二、LongAdder类的使用

• 三、LongAdder原理的直观理解

• 四、源码分析

• 五、与AtomicInteger的比较

• 六、思想的抽象

一、前言

ConcurrentHashMap的源码采用了一种比较独特的方式对map中的元素数量进行统计，自然是要好好研究一下其原理思想，同时也能更好地理解ConcurrentHashMap本身。

本文主要思路分为以下5个部分：

计数的使用效果

原理的直观图解

源码的细节分析

与AtomicInteger的比较

思想的抽象

学习的入口自然是map的put方法

public V put(K key, V value) {    return putVal(key, value, false);}

查看putVal方法

这里并不对ConcurrentHashMap本身的原理作过多讨论，因此我们直接跳到计数部分

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {    ...    addCount(1L, binCount);    return null;}

每当成功添加一个元素之后，都会调用addCount方法进行数量的累加1的操作，这就是我们研究的目标

因为ConcurrentHashMap的设计初衷就是为了解决多线程并发场景下的map操作，因此在作数值累加的时候自然也要考虑线程安全

当然，多线程数值累加一般是学习并发编程的第一课，本身并非很复杂，可以采用AtomicInteger或者锁等等方式来解决该问题

然而如果我们查看该方法，就会发现，一个想来应该比较简单的累加方法，其逻辑看上去却相当复杂

这里我只贴出了累加算法的核心部分

private final void addCount(long x, int check) {    CounterCell[] as; long b, s;    if ((as = counterCells) != null ||            !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {        CounterCell a; long v; int m;        boolean uncontended = true;        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||                (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||                !(uncontended =                        U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {            fullAddCount(x, uncontended);            return;        }        if (check <= 1)            return;        s = sumCount();    }    ...}

我们就来研究一下该逻辑的实现思路。而这个思路其实是照搬了LongAdder类的逻辑，因此我们直接查看该算法的原始类

二、LongAdder类的使用

我们先看下LongAdder的使用效果

LongAdder adder = new LongAdder();int num = 0;@Testpublic void test5() throws InterruptedException {    Thread[] threads = new Thread[10];    for (int i = 0; i < 10; i++) {        threads[i] = new Thread(() -> {            for (int j = 0; j < 10000; j++) {                adder.add(1);                num += 1;            }        });        threads[i].start();    }    for (int i = 0; i < 10; i++) {        threads[i].join();    }    System.out.println("adder:" + adder);    System.out.println("num:" + num);}

输出结果

adder:100000

num:40982

可以看到adder在使用效果上是可以保证累加的线程安全的

三、LongAdder原理的直观理解

为了更好地对源码进行分析，我们需要先从直觉上理解它的原理，否则直接看代码的话会一脸懵逼

LongAdder的计数主要分为2个对象

一个long类型的字段：base

一个Cell对象数组，Cell对象中就维护了一个long类型的字段value，用来计数

transient volatile Cell[] cells;transient volatile long base;

当没有发生线程竞争的时候，累加都会发生在base字段上，这就相当于是一个单线程累加2次，只不过base的累加是一个cas操作

当发生线程竞争的时候，必然有一个线程对base的cas累加操作失败，于是它先去判断Cell是否已经被初始化了，如果没有则初始化一个长度为2的数组，并根据线程的hash值找到对应的数组索引，并对该索引的Cell对象中的value值进行累加（这个累加也是cas的操作）

如果一共有3个线程发生了竞争，那么其中第一个线程对base的cas累加成功，剩下2个线程都需要去对Cell数组中的元素进行累加。因为对Cell中value值的累加也是一个cas操作，如果第二个线程和第三个线程的hash值对应的数组下标是同一个，那么同样会发生竞争，如果第二个线程成功了，第三个线程就会去rehash自己的hash值，如果得到的新的hash值对应的是另一个元素为null的数组下标，那么就new一个Cell对象并对value值进行累加

如果此时有线程4同时参与竞争，那么对于线程4来说，即使rehash后还是可能在和线程3的竞争过程中cas失败，此时如果当前数组的容量小于系统可用的cpu的数量，那么它就会对数组进行扩容，之后再次rehash，重复尝试对Cell数组中某个下标对象的累加

以上就是整体直觉上的理解，然而代码中还有很多细节的设计非常值得学习，所以我们就开始进入源码分析的环节

四、源码分析

入口方法是add

public void add(long x) {    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;        if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {                boolean uncontended = true;                if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||                                (a = as[getProbe() & m]) == null ||                                !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))            longAccumulate(x, null, uncontended);    }}

当不发生线程竞争的时候，那累加操作就会由第一个if中的casBase负责，对应之前图解的情况一

当发生线程竞争之后，累加操作就会由cell数组负责，对应之前图解的情况二（数组的初始化在longAccumulate方法中）

接着我们查看主逻辑方法，因为方法比较长，所以我会一段一段拿出来解析

longAccumulate方法

签名中的参数

x表示需要累加的值

fn表示需要如何累加，一般传null就行，不重要

wasUncontended表示是否在外层方法遇到了竞争失败的情况，因为外层的判断逻辑是多个“或”(as == null || (m = as.length - 1) < 0 || (a = as[getProbe() & m]) == null)，所以如果数组为空或者相应的下标元素还未初始化，这个字段就会保持false

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,                          boolean wasUncontended) {  ...}

首先判断线程的hash值是否为0，如果为0则需要做一个初始化，即rehash

之后会将wasUncontended置为true，因为即使之前是冲突过的，经过rehash后就会先假设它能找到一个元素不冲突的数组下标

int h;//线程的hash值，在后面的逻辑中会用到if ((h = getProbe()) == 0) {    ThreadLocalRandom.current(); // force initialization    h = getProbe();    wasUncontended = true;}

之后是一个死循环，死循环中有3个大的if分支，这3个分支的逻辑作用于数组未初始化的时候，一旦数组初始化完成，那么就都会进入主逻辑了，因此我这里把主逻辑抽取出来放到后面单独说，也可以避免外层分支对思路的影响

boolean collide = false;for (; ; ) {    Cell[] as;    Cell a;    int n;//cell数组长度    long v;//需要被累积的值        if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {        ...            } else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {                boolean init = false;        try {                                       if (cells == as) {                Cell[] rs = new Cell[2];                rs[h & 1] = new Cell(x);                cells = rs;                init = true;            }        } finally {            cellsBusy = 0;        }        if (init)            break;            } else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x :            fn.applyAsLong(v, x))))        break;                          // Fall back on using base}

接着就看对cell数组元素进行累加的主逻辑

if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {        if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {                if (cellsBusy == 0) {                        Cell r = new Cell(x);                        if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {                boolean created = false;                try {                                        Cell[] rs;                    int m, j;                    if ((rs = cells) != null &&                            (m = rs.length) > 0 &&                            rs[j = (m - 1) & h] == null) {                        rs[j] = r;                        created = true;                    }                } finally {                    cellsBusy = 0;                }                                if (created)                    break;                                continue;            }        }                collide = false;        } else if (!wasUncontended)         wasUncontended = true;        else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x :            fn.applyAsLong(v, x))))        break;        else if (n >= NCPU || cells != as)        collide = false;        else if (!collide)        collide = true;        else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {                try {            if (cells == as) {                 Cell[] rs = new Cell[n << 1];                for (int i = 0; i < n; ++i)                    rs[i] = as[i];                cells = rs;            }        } finally {            cellsBusy = 0;        }        collide = false;                continue;                   }        h = advanceProbe(h);}

到这里LongAdder的源码其实就分析结束了，其实代码并不多，但是他的思想非常值得我们去学习。

五、与AtomicInteger的比较

光分析源码其实还差一些感觉，我们还没有搞懂为何作者要在已经有AtomicInteger的情况下，再设计这么一个看上去非常复杂的类。

那么首先我们先分析下AtomicInteger保证线程安全的原理

查看最基本的getAndIncrement方法

public final int getAndIncrement() {    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);}

调用了Unsafe类的getAndAddInt方法，继续往下看

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {    int var5;    do {        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));    return var5;}

这里我们不再深究getIntVolatile和compareAndSwapInt方法具体实现，因为其已经是native的方法了

可以看到，AtomicInteger底层是使用了cas+自旋的方式解决原子性问题的，即如果一次赋值不成功，那么就自旋，直到赋值成功为止

那么由此可以推断，当出现大量线程并发，竞争非常激烈的时候，AtomicInteger就有可能导致有些线程不断地竞争失败，不断自旋从而影响任务的吞吐量

为了解决高并发下的自旋问题，LongAdder的作者在设计的时候就通过增加一个数组的方式，使得竞争的对象从一个值变成多个值，从而使得发生竞争的频率降低，从而缓解了自旋的问题，当然付出的代价就是额外的存储空间。

最后我简单做了个测试，比较2种计数方法的耗时

通过原理可知，只有当线程竞争非常激烈的时候，LongAdder的优势才会比较明显，因此这里我用了100个线程，每一个线程对同一个数累加1000000次，得到结果如下，差距非常巨大，达到15倍！

LongAdder耗时：104292242nanos

AtomicInteger耗时：1583294474nanos

当然这只是一个简单测试，包含了很多随机性，有兴趣的同学可以尝试不同的竞争程度多次测试

六、思想的抽象

最后我们需要将作者的具体代码和实现逻辑抽象一下，理清思考的过程

1）AtomicInteger遇到的问题：单个资源的竞争导致自旋的发生

2）解决的思路：将单个对象的竞争扩展为多个对象的竞争（有那么一些分治的思想）

3）扩展的可控性：多个竞争对象需要付出额外的存储空间，因此不能无脑地扩展（极端情况是一个线程一个计数的对象，这明显不合理）

4）问题的分层：因为使用类的时候的场景是不可控的，因此需要根据并发的激烈程度动态地扩展额外的存储空间（类似于synchronized的膨胀）

5）3个分层策略：当不发生竞争时，那么用一个值累加即可；当发生一定程度的竞争时，创建一个容量为2的数组，使得竞争的资源扩展为3个；当竞争更加激烈时，则继续扩展数组（对应图解中的1个线程到4个线程的过程）

6）策略细节：在自旋的时候增加rehash，此时虽然付出了一定的运算时间计算hash、比较数组对象等，但是这会使得并发的线程尽快地找到专属于自己的对象，在之后就不会再发生任何竞争（磨刀不误砍柴工，特别注意wasUncontended字段的相关注解）

“并发编程LongAdder的原理是什么”的内容就介绍到这里了，感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注编程网网站，小编将为大家输出更多高质量的实用文章！